SISTEMA Y METODO PARA LA RECONSTRUCCION Y VISUALIZACION DE LA ACTIVACION ELECTRICA CARDIACA.

Sistema para la reconstrucción y visualización de la actividad eléctrica cardíaca,

de alta precisión, dado que mejora las prestaciones de los sistemas actuales mediante la inclusión de la información a priori del problema bioeléctrico en un algoritmo de aprendizaje, y la explotación de la correlación temporal y espacial mediante subsistemas de interpolación y diezmado. El sistema comprende, al menos: una pluralidad de catéteres, de diseño no específico para el sistema; medios de obtención de las coordenadas de la localización de dicho array; medios que proporcionen la geometría de la pared cardíaca; medios de procesado de la señal procedente del array de catéteres, implementando un algoritmo basado en Máquinas de Vectores Soporte que permitan incorporación de los fenómenos bioeléctricos; medios de interpolación y explotación de redundancia que permiten obtener alta resolución sin necesidad de inversiones matriciales; y medios de visualización.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200801074.

Solicitante: UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ROJO ALVAREZ,JOSE LUIS, ALONSO ATIENZA,FELIPE, REQUENA CARRION,JESUS, WILBY,MARK RICHARD, CAAMAÑO FERNANDEZ,ANTONIO JOSE, RAMOS LOPEZ,JAVIER, MOSCOSO CASTRO,MIGUEL ANGEL, ALVAREZ ROMAN,JUAN DIEGO, GARCIA ALBEROLA,ARCADIO, SANCHEZ MUÑOZ,JUAN JOSE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • A61B5/042
SISTEMA Y METODO PARA LA RECONSTRUCCION Y VISUALIZACION DE LA ACTIVACION ELECTRICA CARDIACA.

Fragmento de la descripción:

SISTEMA Y MÉTODO PARA LA RECONSTRUCCIÓN Y VISUALIZACIÓN DE LA ACTIVACIÓN ELÉCTRICA CARDÍACA

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es un nuevo sistema para la reconstrucción de la activación eléctrica cardíaca a partir de las señales eléctricas cardíacas registradas mediante un vector (array) de catéteres, de diseño no específico para el sistema, sino de diseño para utilización habitual en exploración electrofisiológica, y medios de procesado adecuados para la visualización con posición de la actividad eléctrica cardíaca. El sistema resuelve las limitaciones en resolución de los sistemas actuales mediante la incorporación de un subsistema de aprendizaje capaz de incluir la información a priori conocida del problema bioeléctrico y de un subsistema de interpolación y diezmado capaz de explotar la elevada correlación espacial y temporal de dichos fenómenos sin necesidad de inversiones matriciales. La presente invención se puede encuadrar en las técnicas derivadas del problema inverso en electrocardiografía que consiste en estimar las fuentes eléctricas endocardíacas o epicardíacas (tensión o corriente transmembranal) a partir de medidas remotas (electrogramas) .

Campo de la invención El campo de la invención es el de sistemas de generación y visualización de imágenes médicas, especialmente, la reconstrucción y representación gráfica de la actividad eléctrica en los sistemas médicos utilizados en cardiología.

Antecedentes de la invención Sistemas para problema inverso en cardiología. Las arritmias cardíacas son una de las principales causas de mortalidad en el mundo occidental. Las terapias

actuales se basan en un conocimiento parcial de los mecanismos que subyacen en las arritmias más comunes (taquicardias auriculares y ventriculares, fibrilación auricular y ventricular, etc.) , y si bien alcanzan niveles altos de efectividad, el conocimiento detallado del mecanismo eléctrico de una arritmia rápida (o taquiarritmia) es la clave para la creación de nuevas terapias anti-arrítmicas o el perfeccionamiento de las ya existentes.

Sin embargo, el conocimiento del mecanismo arrítmico en un paciente dado está limitado por el hecho de que la magnitud física implicada es el la propagación del impulso eléctrico que recorre las células cardíacas. La visualización de actividad eléctrica en la superficie interna (endocardio) del corazón es problemática, dado que solo se dispone de tecnología para realizar medidas indirectas. Estas medidas indirectas consisten en general en medidas de voltaje eléctrico en catéteres que se introducen en el interior del corazón (electrogramas) . Estas medidas registran el campo eléctrico inducido por las corrientes cardiacas a una cierta distancia de las paredes ventriculares, y por tanto es necesario recurrir a cálculos matemáticos para estimar los valores numéricos de las corrientes cardiacas en la superficie endocárdica. Los sistemas de navegación intracardíaca permiten la reconstrucción espacial de una o varias cavidades cardíacas y una representación de la actividad eléctrica miocárdica a lo largo del tiempo, basándose en el registro de la señal eléctrica en diversos puntos y en la detección de la posición espacial del catéter por diversos métodos de localización. En la actualidad, se utilizan distintos sistemas de navegación en electrofisiología cardíaca para reconstruir la actividad eléctrica cardíaca en el miocardio a partir de medidas en catéteres. Estos sistemas se pueden dividir en dos grandes grupos: sistemas de navegación secuenciales y sistemas de navegación instantáneos. Los más importantes son los siguientes:

i. Sistema Carto (Biosense, Cordis-Webster) . Posiblemente sea el más extendido. Permite obtener una imagen (codificada en colores) eléctrica del

tiempo relativo de activación endocárdica con respecto a una señal de referencia durante un ritmo periódico. La principal limitación de este sistema es que solo sirve para ritmos periódicos, por lo que no puede utilizarse en tiempo real para estudiar arritmias de naturaleza no periódica. Además, requiere un tiempo considerable para mapear la actividad eléctrica en cada paciente, entre una hora y tres horas, lo que supone un coste elevado en el sistema sanitario.

ii. Localisa: Es un sistema similar al anterior, y fue comercializado por Medtronic. Actualmente ya no se comercializa, y el sucesor del Localisa es el Navex (sucesor en el sentido de que utiliza el mismo sistema de detección espacial) .

iii. Ensite: Es un sistema avanzado que permite una reconstrucción de la activación eléctrica miocárdica a partir de los registros en un array o cesto de catéteres de diseño específco para el sistema. Permite en teoría reconstruir la actividad bioeléctrica fuente que genera las medidas registradas por dichos catéteres de una forma instantánea, por lo que es potencialmente útil para cualquier tipo de arritmia, periódica o no periódica. De un lado, los sistemas de navegación secuencial (Carto, Navex) están limitados a ritmos sostenidos y requieren un tiempo de exploración de la cavidad cardiaca elevado. De otro lado, posiblemente, la causa de que el sistema de navegación instantánea Ensite no tenga una aceptación y utilización tan extendida en la práctica, a pesar de sus ventajas teóricas, sea que proporciona una estimación de las corrientes bioeléctricas con una cierta incertidumbre asociada, esto es, está limitado en cuanto a precisión. Adicionalmente, el array de catéteres necesario ha de tener un diseño específico (forma de cesto o globo, entre otras características como el descrito en la patente ES 2265395 T3) , que conlleva un tamaño mayor de lo habitual, por lo que ni es compatible con los arrays de catéteres utilizados convencionalmente en estudios de electrofisiología (tetrapolares, decapolares) , ni es fácil su utilización conjunta con dichos arrays convecionales, por problemas de tamaño y número excesivo de

catéteres a introducir en el paciente. Una mejora en la precisión haría que un sistema de este tipo tuviera una aceptación y utilización en la práctica clínica de la electrofisiología cardíaca considerablemente mayor. Una mejora en la compatibilidad de los catéteres convencionales con el sistema de reconstrucción permitiría una utilización a una escala mayor de la que los sistemas de navegación con reconstrucción instantánea están teniendo en la actualidad, que se limita a unos muy pocos casos de pacientes.

Se describen en el actual estado de la técnica distintos sistemas que comprenden el uso de catéteres para el mapeo cardíaco. Entre estos sistemas 10 podemos considerar las patentes estadounidenses US6892091, US5297549 y US5311866.

En la actualidad se han propuesto numerosos sistemas para reconstruir la actividad eléctrica en la fuente cardíaca a partir de las medidas de electrogramas en catéteres. Dentro de estos sistemas, se pueden incluir configuraciones que registran la actividad eléctrica en el exterior (en la piel, mediante electrodos cutáneos) , y que siguen principios similares para estimar la actividad eléctrica en el corazón. Estas técnicas se engloban bajo la denominación de técnicas de problema inverso en electrocardiografía. Los sistemas basados en técnicas de problema inverso en electrocardiografía se basan en: (1) la utilización de un subsistema para incorporar la información geométrica anatómica (en lo sucesivo, matriz distancias) ; (2) ocasionalmente, en un subsistema para complementar el anterior con información adicional, como las propiedades de conductividad del tejido; (3) un subsistema para calcular una estimacion de las medidas en la pluralidad de electrodos prediseñados para dicho sistema, a partir de (1) y/o (2) . El mayor problema al que se enfrentan los sistemas actuales procede de su falta de precisión. Esta se debe en general a que la reconstrucción de la actividad

eléctrica sobre la anatomía cardíaca tiene demasiados grados de libertad frente al número (comparativamente mucho más reducido) de señales cardíacas registradas en electrodos o en catéteres. Las soluciones que se han propuesto hasta la fecha han explorado dos direcciones: (1) la incorporación de un subsistema de regularización, 5 principalmente basado en los principios de Thikhonov (descomposición en valores singulares, suma de matrices diagonales de magnitud conveniente) ; (2) la utilización de subsistemas incorporando restricciones adicionales, tales como el conocimiento...

 


Reivindicaciones:

1. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso, caracterizado por la utilización de configuraciones convencionales de arrays de catéteres, acoplados a un módulo de identificación no lineal de sistemas que se basa en un sistema no convencional de máquinas de vectores soporte, y que es capaz de utilizar la información a priori (estado cuasielectrostático y geometría espacial anatómica) que captan los propios catéteres desde el entorno. El sistema objeto de la presente invención comprende, al menos:

un array de catéteres, de diseño y propósito general en electrofisiología cardíaca, que miden los potenciales eléctricos (v[k) ) cardíacos mediante una pluralidad de electrodos;

unos medios de posicionamiento configurados para calcular las coordenadas de la localización (k) de dicho array; unos medios de adquisición de imagen auxiliar configurados para captar información geométrica anatómica de la pared cardíaca;

medios de procesado de la señal procedente del array de catéteres, donde dichos medios de procesado implementan un algoritmo basado en Máquinas de Vectores Soporte (SVM) para la resolución del problema de señal, incorporando información sobre la función de transferencia de la actividad eléctrica h[k] desde las células cardíacas hasta el sistema de catéteres, a través del núcleo de la SVM;

los medios de procesado de la señal estando acoplados con unos medios de interpolación configurados para aprovechar la redundancia espacial y mejorar la resolución sin necesidad de inversiones matriciales a partir de las señales registradas en los catéteres; y medios de visualización de la señal procesada.

2. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de imagen auxiliar son al menos uno seleccionado entre:

- resonancia;

- TAC;

- ecografía; y

- escopia.

3. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque los medios de imagen auxiliar detectan propiedades eléctricas adicionales asociadas a zonas de necrosis.

4. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según reivindicación 1, caracterizado porque la SVM comprende un algoritmo de aprendizaje estadístico que se deriva del principio de minimización del riesgo estructural.

5. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según reivindicación 1, caracterizado porque las señales v[k] son las diferencias de potencial medidas en el electrodo k-ésimo de la pluralidad de catéteres, y se adquieren en el mismo instante de tiempo para todos los catéteres.

6. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal ho[k] es la función de transferencia espacial.

7. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según reivindicación 6, caracterizado porque la señal ho[k] se estima mediante técnicas de identificación de sistemas.

8. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según reivindicación 1, caracterizado porque la señal ho[k] se calcula utilizando la ecuación del conductor volumétrico para un medio homogéneo.

9. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según reivindicación 1, caracterizado porque los medios de posicionamiento de los catéteres registran las coordenadas espaciales de cada catéter.

10. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios de imagen auxiliar del sistema obtienen los datos de la geometría de la cavidad cardíaca.

11. Sistema para reconstrucción de la actividad eléctrica cardíaca en el substrato mediante resolución en tiempo real del problema inverso, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende medios de interpolación y de diezmado para obtener un incremento de la resolución obtenida con un número dado de catéteres de sensado.

12. Método de reconstrucción y visualización de la actividad cardíaca, caracterizado porque comprende, al menos, las siguientes etapas:

(i) una primera etapa de registro de la información anatómica cardíaca (resonancia o ultrasonidos) ;

(ii) una segunda etapa de procedimiento electro-fisiológico, donde se sitúa el catéter en el interior de la cavidad yse registran las posiciones de los catéteres mediante el subsistema dedicado;

(iii) una tercera etapa de cálculo de la matriz de distancias, con las informaciones 5 anteriores;

(iv) una cuarta etapa de registro simultáneo de los potenciales de los catéteres v[k], para instantes de tiempo k sucesivos;

(v) una quinta etapa de cálculo del algoritmo SVM para cada medida de potenciales v[k].

1.0 13. Método de reconstrucción de señal, según reivindicación 12, caracterizado porque comprende una etapa de visualización opcional del potencial reconstruido.

14. Método de reconstrucción de señal, según reivindicación 12, caracterizado porque comprende una etapa de visualización opcional de la corriente transmembrana estimada para instantes sucesivos de tiempo.

15. Método de reconstrucción de señal, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14 caracterizado porque el cálculo del algoritmo SVM comprende:

(i) una primera etapa de resolución en bloque del problema de programación cuadrática dado por las medidas Y[k] y por la matriz de distancias, y se estiman las corrientes transmembrana i[k];

(ii) una segunda etapa de interpolación la señal de medidas de potenciales estimados v[k], a partir de las corrientes transmembranas estimadas, i[k]; y (iii) una tercera etapa de verificación de los potenciales interpolados a partir de las corrientes transmembrana estimadas se corresponden con calidad adecuada con los registrados.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4


 

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